آناليز سه بعدي يك مشعل متخلخل تابشي در شرايط كاركرد مختلف همراه با مدلسازي پديده احتراق

Three-dimensional analysis of a porous radiant burner under different operating conditions with combustion modeling

در تحقيق حاضر، شبيه سازي فرايند احتراق و انتقال حرارت در يك مشعل متخلخل تابشي سه بعدي به صورت عددي، مطالعه ميشود. واكنش چند مرحله اي هوا/ متان با جزئيات سينتيك شيميايي براي مدلسازي فرايند احتراق داخل محيط متخلخل در نظر گرفته ميشود. با فرض عدم تعادل حرارتي بين فاز گاز و فاز جامد، معادله هاي انرژي جداگانه اي براي اين دو فاز لحاظ گرديد. محيط متخلخل محيطي خاكستري در نظر گرفته شده كه قادر به جذب، پخش و صدور انرژي تابشي است ولي فاز گاز نسبت به تابش شفاف در نظر گرفته شده است. معادله هاي حاكم شامل معادله هاي انرژي فاز گاز و فاز جامد، معادله بقاي ذرات شيميايي و معادله انتقال حرارت تابشي مي باشند كه بايستي به صورت همزمان حل عددي گردند. روش جهت هاي مجزا براي حل معادله انتقال تابشي به منظور محاسبه جمله مربوط به تابش در معادله انرژي فاز جامد استفاده مي شود. نتايج شبيه سازي شامل ميدان هاي دما براي فاز گاز و فاز جامد، توزيع نسبت جرمي ذرات و توزيع شارهاي تابشي در طول مشعل مي باشند. نهايتاً، اثر پارامترهاي مختلف مانند ضخامت اپتيكي، نسبت پخش و نسبت هواي اضافي بر عملكرد مشعل مورد بررسي قرار مي گيرد.

In the present paper, combustion phenomenon and heat transfer simulation in a 3-D porous radiant burner (PRB) are numerically studied. Multi-step reaction of methane/air with detailed chemical kinetics is considered to model the combustion process inside the porous matrix. Assuming the non-local thermal equilibrium between solid and gas phases, separate energy equations are considered for these two phases. Porous medium is assumed as a gray medium that can absorb, scatter, and emit thermal radiation, whereas the gas phase is considered to be transparent to thermal radiation. The governing equations are gas and porous energy equations, the chemical species transport equation and the radiative transfer equation that should be simultaneously and numerically solved. Discrete ordinates method is used to solve the radiative transfer equation in order to calculate the radiative term in the solid energy equation. The simulation results include temperature fields for the gas and solid phase, species mass fraction distributions, and radiative heat flux distributions along the burner. Finally, the effect of different parameters such as optical thickness, scattering albedo, and excess air ratio (EAR) on the performance of the burner are explored.